第三章 智能仪器的模拟输入通道与模拟输出通道设计
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19280智能仪器原理及应用
课程名称：智能仪器原理及应用课程代码： 09280第一部分课程性质与特点一、课程性质与特点1．课程性质《智能仪器》是高等教育自学考试电子工程本科专业必修的专业基础课程之一。
智能仪器在通信、家电、自动控制、仪器仪表中得到了广泛的应用。
通过本课程的学习，使学生掌握利用微处理器系统使电子仪器实现智能化的具体方法，包括硬件和软件两个方面。
2．课程特点智能仪器课程侧重讨论智能仪器实际设计过程中所涉及的具体方法与技巧。
旨在使学生运用所学的微型计算机和电子技术等方面的基础知识，解决现代电子仪器开发过程中的实际问题，逐步具备能够设计以微型计算机为核心的电子系统的能力。
本课程中既有硬件的原理和组成，又有针对硬件的软件编程，软件与硬件必须同时兼顾。
因此本课程具有实用性强、理论和实践结合、软硬件结合等特点二、课程目标与基本要求1．课程目标使学生运用所学的微型计算机和电子技术等方面的基础知识，解决现代电子仪器开发过程中的实际问题，逐步具备能够设计以微型计算机为核心的电子系统的能力。
2．基本要求掌握智能仪器的结构、设计要点，模拟量输入输出通道，人机接口，通信接口，以及典型处理功能，掌握电压测量为主的智能仪器、智能电子计数器和数字存储示波器的工作原理和结构组成，还要掌握个人仪器和虚拟仪器的基本概念、组成原理和设计方法，了解VXI和LabVIEW仪器系统的组成原理。
三、与本专业其他课程的联系1．学习本课程主要涉及模拟电子技术、数字电子技术以及微机原理课程中有关接口和汇编程序、微机控制方法等方面的有关知识。
因此，应当尽可能地在先修《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《微机原理》和《微机接口技术》，《单片机原理与应用》等课程或者学过“电路基础”、“数字电路”、“单片机原理与应用”等课程的基础上进行自学.2．本课程将为有关智能仪器系统设计方面的课题打下必要的基础。
第二部分考核内容与考核目标第一章导论一、学习目的与要求通过本章学习，学生应重点掌握智能仪器的组成及特点、智能仪器及测试系统的发展以及智能仪器设计的要点。
微机控制技术项目教程项目三 模拟量输入输出通道接口设计PPT课件
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（4）转换结束后的数据读取处理
• 当A/D转换器接收到CPU发出的一个启动信号后，A/D转换器 就开始转换，这个转换需要一定的时间。当转换结束时，A/D 转换器芯片内部的转换结束触发器置位。同时输出一个转换结 束标志信号，通知微型计算机读取转换的数据。
因此，在计算机和工业控制对象之间，必须设置信息 的传递和变换装置。这个装置就叫做输入输出通道，它 们在微型计算机和工业控制对象之间起着连接纽带和桥 梁的作用。
输入输出通道包括
• 模拟量输入通道 • 模拟量输出通道 • 数字量输入通道 • 数字量输出通道
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3.1 模拟量输入通道
3.1.1模拟量输入通道 3.1.2 A/D转换及其接口技术 3.1.3典型A/D转换器应用实例 案例4 简易的温度报警器的设计
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（1）采样—保持器的工作原理
• S/H一般由模拟开关、储能元件（电容）和缓冲 放大器组成
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➢在采样方式中，控制开关S闭合，输入信号通过电阻R 向电容C充电，采样—保持器的输出跟随模拟量输入电压 变化。 ➢在保持状态时，开关S断开，采样—保持器的输出为电 容C上的电压，一直保持在保持命令发出时刻的电压值， 直到再度发出采样命令时为止。
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2．A/D转换器的主要参数
（1） 分辨率 （2） 量程 （3） 精度 （4）转换时间 （5）输出逻辑电平 （6）工作温度范围 （7）对基准电源的要求
由于温度会对运算放大 多器为和与电T阻T分L网电辨络平率产配越生合高影。，响转，换 在处时态数故内标作比考理，逻据基个故要只才。温较虑器应辑进量压0准系选外有能较度差有两字对为逐换为～数数注输行时化通来1程范电统芯加在保好为的绝种量精最次器125A字据意出锁对的常表.位是围源的片精一证的－只0V对表的度低逼转/—D量总是，存输反用示等、指，的精时密定额转4有精示位的位近换转02输线否是等入应数，。1所如精度应参温定换0～0度方数单L式时换6～出的要否模就字如0。S位能0度产考考度精器＋和法作位单间器B～7与关用要拟越量8s等转将生虑电范度件的08相。为，片的位。的1℃5微系三对信灵的。换对影是源围指工0土对常度如典A℃、分V。号敏位/的整响否等1D精用量精型，1、辨/变。数0转2电，。度数绝度值率位位、，
（4）转换结束后的数据读取处理
• 当A/D转换器接收到CPU发出的一个启动信号后，A/D转换器 就开始转换，这个转换需要一定的时间。当转换结束时，A/D 转换器芯片内部的转换结束触发器置位。同时输出一个转换结 束标志信号，通知微型计算机读取转换的数据。
因此，在计算机和工业控制对象之间，必须设置信息 的传递和变换装置。这个装置就叫做输入输出通道，它 们在微型计算机和工业控制对象之间起着连接纽带和桥 梁的作用。
输入输出通道包括
• 模拟量输入通道 • 模拟量输出通道 • 数字量输入通道 • 数字量输出通道
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3.1 模拟量输入通道
3.1.1模拟量输入通道 3.1.2 A/D转换及其接口技术 3.1.3典型A/D转换器应用实例 案例4 简易的温度报警器的设计
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（1）采样—保持器的工作原理
• S/H一般由模拟开关、储能元件（电容）和缓冲 放大器组成
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➢在采样方式中，控制开关S闭合，输入信号通过电阻R 向电容C充电，采样—保持器的输出跟随模拟量输入电压 变化。 ➢在保持状态时，开关S断开，采样—保持器的输出为电 容C上的电压，一直保持在保持命令发出时刻的电压值， 直到再度发出采样命令时为止。
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2．A/D转换器的主要参数
（1） 分辨率 （2） 量程 （3） 精度 （4）转换时间 （5）输出逻辑电平 （6）工作温度范围 （7）对基准电源的要求
由于温度会对运算放大 多器为和与电T阻T分L网电辨络平率产配越生合高影。，响转，换 在处时态数故内标作比考理，逻据基个故要只才。温较虑器应辑进量压0准系选外有能较度差有两字对为逐换为～数数注输行时化通来1程范电统芯加在保好为的绝种量精最次器125A字据意出锁对的常表.位是围源的片精一证的－只0V对表的度低逼转/—D量总是，存输反用示等、指，的精时密定额转4有精示位的位近换转02输线否是等入应数，。1所如精度应参温定换0～0度方数单L式时换6～出的要否模就字如0。S位能0度产考考度精器＋和法作位单间器B～7与关用要拟越量8s等转将生虑电范度件的08相。为，片的位。的1℃5微系三对信灵的。换对影是源围指工0土对常度如典A℃、分V。号敏位/的整响否等1D精用量精型，1、辨/变。数0转2电，。度数绝度值率位位、，
第3章 智能仪器输出通道
1 2 1
8
1 255
0.0039 0.39%
1
n
对于n位D/A转换器，分辨率为 2 1 。 分辨率是D/A转换器在理论上能达到的精度。 不考虑转换误差时，转换精度即为分辨率的 大小。
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（2）转换误差
实际D/A转换器由于各元件参数值存在 误差、基准电压不够稳定以及运算放大器的 漂移等，使D/A转换器实际转换精度受转换 误差的影响，低于理论转换精度。
•
I OUT 2
•
•
R fb
VREF
：数据写入DAC寄存器的控制信号，低电 平有效。 ：传送控制信号，低电平有效。 : 模拟电流输出，当输入数字为全为“1” 时，输出电流最大（255V / 256R ），当输 入数字为全为“0”时，输出电流为0。 ：模拟电流输出，模拟量为差动电流输出, 与的关系是：I I ＝常数 ：内部反馈电阻引脚，可外接输出增益调 整电位器。 ：参考电压输入端，可接正负电压，范 围为-10～+10V。
（1）分辨率 指当输入数字发生单位数码变化时所对 应的输出模拟量的变化量。 DAC的位数（输入二进制数码的位数） 越多，输出电压的取值个数越多，越能反映 输出电压的细微变化，分辨率越高，一般可 用DAC的位数衡量分辨率的高低。
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另外，DAC的分辨率也可用DAC能够分辨 出的最小电压（对应输入二进制代码中只有 最低有效位为1，其余为零）与最大输出电 压（对应输入二进制代码中各位全为1）的 比值表征。 例如8位的D/A转换器，分辨率为:
LSB
。
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2、转换速度 一般由建立时间决定。建立时间是指当 输入的数字量变化时，输出电压进入与稳态 值相差 1 LSB 范围以内的时间。
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对于n位D/A转换器，分辨率为 2 1 。 分辨率是D/A转换器在理论上能达到的精度。 不考虑转换误差时，转换精度即为分辨率的 大小。
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（2）转换误差
实际D/A转换器由于各元件参数值存在 误差、基准电压不够稳定以及运算放大器的 漂移等，使D/A转换器实际转换精度受转换 误差的影响，低于理论转换精度。
•
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：数据写入DAC寄存器的控制信号，低电 平有效。 ：传送控制信号，低电平有效。 : 模拟电流输出，当输入数字为全为“1” 时，输出电流最大（255V / 256R ），当输 入数字为全为“0”时，输出电流为0。 ：模拟电流输出，模拟量为差动电流输出, 与的关系是：I I ＝常数 ：内部反馈电阻引脚，可外接输出增益调 整电位器。 ：参考电压输入端，可接正负电压，范 围为-10～+10V。
（1）分辨率 指当输入数字发生单位数码变化时所对 应的输出模拟量的变化量。 DAC的位数（输入二进制数码的位数） 越多，输出电压的取值个数越多，越能反映 输出电压的细微变化，分辨率越高，一般可 用DAC的位数衡量分辨率的高低。
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另外，DAC的分辨率也可用DAC能够分辨 出的最小电压（对应输入二进制代码中只有 最低有效位为1，其余为零）与最大输出电 压（对应输入二进制代码中各位全为1）的 比值表征。 例如8位的D/A转换器，分辨率为:
LSB
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2、转换速度 一般由建立时间决定。建立时间是指当 输入的数字量变化时，输出电压进入与稳态 值相差 1 LSB 范围以内的时间。
第3章 智能仪器的输入输出通道
第3章 智能仪器的输入输出通道
这样就使共模信号通过两低通滤波器后 产生不同的衰减，使共模干扰变成差模干 扰，进而产生测量误差。为此，在测量放 大器中增加两个等值电阻R7，如图3-4所 示，并将两个R7的中点引出，称为防护端， 经过跟随器后接至电缆的屏蔽层。由于 U01=U02=U cm，因此防护端的电位为共 模电压U cm，屏蔽层的电位也就为U cm， 这样C1、C2上没有共模电压降，有效地清 除了它们对共模干扰的影响。
k j
第3章 智能仪器的输入输出通道
图3-10 同相程控增益放大器
第3章 智能仪器的输入输出通道
2.应用测量放大器实现的程控增益放大器 基本程控增益放大器测量精度较低，对 于精度要求较高的场合，可以通过多路模拟 开关切换测量放大器的增益电阻，实现增益 的控制。图3-11是用单片集成测量放大器 AD521实现的一种程控增益放大器。由 AD521、锁存器及模拟开关控制的电阻网络 等组成。
（3-4）
U o1 U o 2 R 1 R 2 R g 2R 1 A u1 1 U i1 U i 2 Rg Rg
R6 R5 R5 Uo Uo2 [ （ 1 ） ] Uo1 R 4 +R 6 R3 R3
（3-5）
（U o 2
R5 U o1） R3
（3-6） （3-7）
3.2.2测量放大器的使用 1. 差动输入端的连接方法
测量放大器不论是三运放结构还是单片集成电 路，它的两个输入端都是有偏臵电流的，使用时要 注意为偏臵电流提供回路。如果没有回路，则这些 电流将对分布电容充电，造成输出电压不可控制的 漂移或饱和。因此，对于浮臵的信号源，如变压器 耦合、热电偶以及交流电容耦合信号源，必须对测 量放大器每个输入端构成到电源地的直流通路，连 接方法如图3-2所示。
智能仪器的信号输出通道
(2)标称满量程和实际满量程 标称满量程（NFS）是指相应于数字量标称值 的模拟输出量。但实际数字量最大为2n－1，要比标 称值小一个LSB，因此，实际满量程（AFS）要比 标称满量程（NFS）小一个LSB增量。即 2n 1 AFS = NFS－1LSB增量= n NFS 2 例如，一个8位D/A转换器，参考电压为-5V时，其 标称满量程为+5V，而实际满量程为。
0832的应用特性
（1）0832是单片机兼容D/A转换器，可以充分利用 单片机的控制能力实现对D/A转换的控制，故这种 芯片有许多控制引脚可以和单片机的控制线相连， 接受单片机的控制 （2）有两级锁存控制功能，能够实现多通道D/A的 同步转换输出 。 （3）0832内部无参考电压，需外接参考电压电路。 （4）0832为电流输出型D/A转换器，要获得模拟电 压输出时，需要外接转换电路。
3. 0832及其接口 （2）缓冲器同步方式接口
对于多路D/A转换接口，要求同步进行D/A转
DAC的转换误差也可以用输出电压满刻度 （FSR）的百分比表示，例如，转换误差为 0.2%FSR，说明实际输出电压与理论值的最大 差值是满刻度的0.2%。 造成DAC转换误差的原因有参考电压的波 动、运放的零点漂移、模拟开关的导通内阻和 导通压降、电阻网络中电阻值的偏差等因素。 不同因素引起的转换误差各有特点，根据误差 特点的不同将其分为： 增益误差、失调误差、 非线性误差等。
图示为两级运算放大器组成的模拟电压输出电路。 从a点输出为单极性模拟电压，从b点输出为双极性 模拟电压。如果参考电压为5V，则a点输出电压为 0V～-5V，b点输出为电压。
2. 0832及其接口 （1） 单缓冲器方式接口
（ 1）
智能仪器基础(第2版)第3章
• 很多仪表（传感器）传送的电信号是模拟 信号，反映了待测信号随时间连续变化的 关系，为了将这个电信号输入到微机中进 行实时处理，需要对输入信号进行分析处 理，图3.7为单通道测量数据采集系统的框 图。
3.2.1模拟信号的检测
1.被测量用标准工业仪表检测 模拟电信号有交流和直流两种，在 工业自动化行业，较多采用直流电流 或直流电压作为统一联络信号。
3.1.1.开关量的预处理电路
• 表3.1给出在标准测试条件下TTL逻辑门电路及CMOS逻辑 门电路输入输出性能的主要指标，可以在选择时作参考， 在不同的工作条件下这些输入输出性能会有所变化，设计 时要根据参考资料进行分析比较。
逻辑门 类型 输入 高电平 输入电流 输出 低电平 输出 电流 输入 低电平 输入电流 输出 高电平 输出 电流
1.高精度集成运算放大器ICL7650
• 采用开关电容斩波方式 使其前置放大的分辨率 可以小于10μV，它的输 入失调电压极低，在整 个工作温度范围内只有 ±1μV，失调电压温漂 仅0.01μV/℃；共模抑 制比达130dB，单位增 益带宽达2MHz。
图3.9 电流电压转换电路 输出
• 检测仪表输出 电压信号，可 以把它看成是 一个电压源， 如果有多台仪 器需要接收这 个信号，则这 些仪器需要并 联，如图3.10 所示。
图3.10 电压型仪表输入
1.被测量用标准工业仪表检测
• 在不计传输线上电压降时，接收仪器 接收到的电压信号的相对误差为：
2.被测量用传感器检测
• 电荷输出型： 如压电式传感 器等，要求电 荷电压转换电 路，通常结合 运算放大器， 还具有一定的 信号放大作用 。
图3.12 电荷电压转换电路
3.2.2信号滤波及检测
• 滤波器——让一定频率范围内的信号通过 ，抑制频率范围外的干扰信号（噪声）。 • 滤波器可以分成四种，分别是低通滤波器 ，高通滤波器，带通滤波器和带阻滤波器 这四种滤波器的理想幅频特性曲线如下。
3.2.1模拟信号的检测
1.被测量用标准工业仪表检测 模拟电信号有交流和直流两种，在 工业自动化行业，较多采用直流电流 或直流电压作为统一联络信号。
3.1.1.开关量的预处理电路
• 表3.1给出在标准测试条件下TTL逻辑门电路及CMOS逻辑 门电路输入输出性能的主要指标，可以在选择时作参考， 在不同的工作条件下这些输入输出性能会有所变化，设计 时要根据参考资料进行分析比较。
逻辑门 类型 输入 高电平 输入电流 输出 低电平 输出 电流 输入 低电平 输入电流 输出 高电平 输出 电流
1.高精度集成运算放大器ICL7650
• 采用开关电容斩波方式 使其前置放大的分辨率 可以小于10μV，它的输 入失调电压极低，在整 个工作温度范围内只有 ±1μV，失调电压温漂 仅0.01μV/℃；共模抑 制比达130dB，单位增 益带宽达2MHz。
图3.9 电流电压转换电路 输出
• 检测仪表输出 电压信号，可 以把它看成是 一个电压源， 如果有多台仪 器需要接收这 个信号，则这 些仪器需要并 联，如图3.10 所示。
图3.10 电压型仪表输入
1.被测量用标准工业仪表检测
• 在不计传输线上电压降时，接收仪器 接收到的电压信号的相对误差为：
2.被测量用传感器检测
• 电荷输出型： 如压电式传感 器等，要求电 荷电压转换电 路，通常结合 运算放大器， 还具有一定的 信号放大作用 。
图3.12 电荷电压转换电路
3.2.2信号滤波及检测
• 滤波器——让一定频率范围内的信号通过 ，抑制频率范围外的干扰信号（噪声）。 • 滤波器可以分成四种，分别是低通滤波器 ，高通滤波器，带通滤波器和带阻滤波器 这四种滤波器的理想幅频特性曲线如下。
智能仪器作业答案
第 2 章 智能仪器模拟量输入/输出通道
2.3 模拟量输出通道(NO.4) 1、单极性。2、双极性。 3、3 ； 双； CS ； XFER； 4 ； DAC 。
第1章 绪论 1、答：内含微型计算机并带有 GB-IP 等通信接口的电子仪器。 主要特点：1、键盘代替旋转式或琴键式开关。 2、微处理器提高仪器的性能。 3、微处理器改善了自动化测量水平。 4、友好的人-机对话能力。 5、配有 GP-IB 或 RS-232 通信接口，可程控操作。
2、
答：主机电路：用来存储程序、数据并进行一系列的运算和处理。 模拟量输入/输出通道：输入/输出模拟信号。 人机接口电路：沟通操作者和仪器之间的联系。 通信接口电路： 实现仪器与计算机的联系，以便使仪器可以接受计算机的程控命 令。 第 1 章 导论（NO.1） 、 GB-IP 等通信接口 、 直流 、 数字式万用表 、 数字式电压表 、 监控
214 0.6m V。
模拟量输入通道(一)(NO.2)
；
8
； 。 逐次比较
。
-7-
《智能仪器原理与设计》作业答案
第 2 章 智能仪器模拟量输入/输出通道
3、方法：ADC0809 的控制地址确定方法： ①、P2 口：不连线的位为 1,连线的位按连线状态连接。 P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 ②、P0 口：低三位确定通道号，其它位为不连线状态。 P0.7 P0.6 P0.5 P0.4 P0.3 P0.2
补充：TMOD 和 TCON 的控制字
-6-
《智能仪器原理与设计》作业答案
第 2 章 智能仪器模拟量输入/输出通道
Ⅰ，GATE——门控制。 ●GATE=1 时，由外部中断引脚 INT0、INT1 来启动定时器 T0、T1。 当 INT0 引脚为高电平时 TR0 置位，启动定时器 T0； 当 INT1 引脚为高电平时 TR1 置位，启动定时器 T1。 ●GATE=0 时，仅由 TR0,TR1 置位分别启动定时器 T0、T1。 Ⅱ，C/T——功能选择位 C/T=0 时为定时功能，C/T=1 时为计数功能。 置位时选择计数功能，清零时选择定时功能。 Ⅲ，M0、M1——方式选择功能 由于有 2 位，因此有 4 种工作方式： M1 M0 工作方式 功能说明 0 0 1 1 0 1 0 1 方式 0 方式 1 方式 2 方式 3 13 位定时器/计数器 16 位定时器/计数器 自动重载 8 位定时器/计数器 T0 分为 2 个 8 位独立计数器，T1 停止计数
计算机控制技术 第3章 过程输入输出通道
36
SM331的8个模拟量输入通道共用一 个积分式A／D转换部件，即通过模拟切 换开关，各输入通道按顺序一个接一个 地转换。 某一通道从开始转换模拟量输入值 起，一直持续到再次开始转换的时间称 模入模块的循环时间，它是模块中所有 活动的模拟量输入通道的转换时间的总 和。
37
实际上，循环时间是对外部模拟量 信号的采样间隔。 对于一个积分时间设定为20ms，8个 输入通道都接有外部信号且都需断线监 视的SM331模块，其循环时间为 (22+10)*8ms=256ms 因此，对于采样时间要求更快一些的 场合，优先选用二输入通道的SM331模 块。
激励电压 激励电压 全桥和半桥设置 全桥和半桥设置 隔离，放大， 噪声滤波 隔离，放大，噪声滤波 隔离，放大， 隔离，放大，
Demo
泛华测控 / Pansino
22
温度传感器的信号调理
绝大多数传感器均有相应的变送器，但温 度传感器的调理电路往往需自己制作，当然也 有现成的产品，但价格较高。常见的温度调理 电路采用桥式电路原理进行测量。
18
液位传感器
磁致伸缩液位传感器：
测量范围： 测量范围：0.2~5m 基本测量精度： 基本测量精度：0.05%
19
压力型液位变送器
JYB-K*-**型液位变送器 型液位变送器 量 程 ： 0-0.5m,4m,100m 精度： 级 ± 精度：A级≤±0.25％ ％ B级≤±0.5％ 级 ± ％
20
27
A/D转换器
A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数 字量的器件或装置，它是一个模拟系统和计算 机之间的接口，它在数据采集和控制系统中， 得到了广泛的应用。
28
3.1.1 模拟量输入通道
变送器输出的信号为0～ 变送器输出的信号为 ～10mA或4 ～ 20mA 或 的统一信号，需要经过I/V变换变成电压信号 变换变成 电压信号后 的统一信号 ， 需要经过 变换 变成 电压信号 后 才能处理。 对于电动单元组合仪表， 才能处理 。 对于电动单元组合仪表 ， DDZ—Ⅱ Ⅱ 号标准为0～ 型的输出信 号标准为 ～10mA，而DDZ—III型 ， 型 输出信号标准为4～ 输出信号标准为 ～20mA。 。
智能仪器中数字量的输入、输出
开关量输出
中功率开关量输出驱动接口
功率场效应管也称功率MOSFET（Metal-Oxide Silicon Field Effect Transistor），它是一种常用的中等功率的 开关控制驱动器件。与双极性晶体管比，它的工作原 理不同，驱动方式也不同，一般有TTL集成电路和 CMOS集成电路两种驱动方式驱动场效应管。它有几 个优点。 MOSFET有较高的开关速度。 有较宽的安全工作区而不会产生热点，同时他是一种 具有正的电阻温度系数的器件，所以，容易进行并联 使用。可靠性好。 过载能力强。阀值电压高，可达2-6V。 由于是电压控制器件，对驱动电路要求低。
为测量频率时的相对误差 为计数值的相对误差 为与门开启时间的相对误差
当与门开闭时间t与被测量脉冲周期的整数倍接近或相 等时候，测频法测量频率的最大误差可能为 。
分析 分析 得到结果
的误差来源。即分析 。
。
这样，在测量时间t一定的情况下，测量误差随着被测 信号频率的降低而增大。当f较低时，应采用别的测量 方法。
由MCS-51单片机内部定时器T0和口P3。4送出，T0工作方式1， 则PWM输出信号中的高电平和低电平持续时间Th和Tl分别为
Th=(216-x)*12/fosc Tl=(216-y)*12/fosc
式中，x,y分别为Th和Tl相对应的定时常数。
作业：1。使用CPLD，VHDL语言表示PWM。占空比为0.656。 2。书22页，第4题。
开关量输出
数字逻辑电路的额定负载能力表 逻辑电 路类型 输出高电平/V 拉电流/mA 输出低电平/V 灌电流/mA -0.4 1.6 0.4 0.01 16 0.5
标准TTL 2.4 逻辑 4.99 标准 CMOS逻 辑 4.99 高速 COMOS 逻辑
第3章 智能仪器输出通道
D/A D/A
1
通道1
通道2
微型 计算 机
D/A 转换 器
多 路 开 关
保持器 保持器 … 保持器
执行机构 执行机构 执行机构
3.2.2 D/A转换器与接口电路
D/A转换器是将输入的二进制数字信号转换成模拟信号，以电压 （或电流）的形式输出。因此，D/A转换器可以看作是一个译码器。一 般常用的线性D/A转换器，其输出的模拟电压V和数字量D成正比关系。 V=KD,K为常数。
333333固态继电器固态继电器固态继电器solidstaterelays简写为ssr是一种全部由固态电子元件组成的新型无触点功率型电子开关输入电流小用ttlcmos等集成电路或附加电路就可以直接驱动因此适宜于微机测控系统作为输出通道的控制部问世于70年代用开关三极管可控硅等半导体器件的开关特性制作利用光电隔离技术实现了控制端输入端与负载回路输出端之间的电气隔离同时又能控制电子开关的动作
0
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1
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智能仪器的输入通道
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2.3.3 隔离放大器
隔离放大器(Isolation Amplifier)输出端和输入端各 自具有不同的电位参考点、即输入端和输出端没有直 接的电耦合，而是通过光、变压器或电容等耦合元件 耦合。输入端和输出端的绝缘电压一般达1000V以上， 绝缘电阻达数十ΜΩ。因此输入端的干扰不会直接到 达输出端，多路通道使用隔离放大器时相互之间不会 影响。当仪器工作环境噪声较大而信号较小时，采用 隔离放大器可保护电子仪器设备和人身安全，提高共 模抑制比，获得较精确的测量结果。
的测量精度。传感器精度越高，价格越昂贵。选用传感器
时，如果测量目的是定性分析，选用重复精度高的传感器
即可，不必选用绝对精度高的传感器；如果是定量分析，
需要获得精确的测量值，可选用精度等级能满足要求的传
感器。
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( 3 )灵敏度
当灵敏度提高时，传感器输出信号的值随被测量的变 化加大，有利于信号处理。通常，在传感器的线性范围 内，希望传感器的灵敏度越高越好。但传感器灵敏度提 高，混入被测量中的干扰信号也会被放大，影响测量精 度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量 减少从外界引入的干扰信号。
拟
A2 S/H
多
A/
I/O接
路D
口
cpu
…
开
An S/H
关
（b） 共享A/D的多通道结构
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2.2 传感器
传感器（Sensor / Transducer）是指能把物理化学 量转变成便于利用和输出的电信号，用于获取被测信息， 完成信号的检测和转换的器件。其性能直接影响整个仪 器的性能。
2.2.1 传感器的分类
2.7 程控同相放大电路
2.3.3 隔离放大器
隔离放大器(Isolation Amplifier)输出端和输入端各 自具有不同的电位参考点、即输入端和输出端没有直 接的电耦合，而是通过光、变压器或电容等耦合元件 耦合。输入端和输出端的绝缘电压一般达1000V以上， 绝缘电阻达数十ΜΩ。因此输入端的干扰不会直接到 达输出端，多路通道使用隔离放大器时相互之间不会 影响。当仪器工作环境噪声较大而信号较小时，采用 隔离放大器可保护电子仪器设备和人身安全，提高共 模抑制比，获得较精确的测量结果。
的测量精度。传感器精度越高，价格越昂贵。选用传感器
时，如果测量目的是定性分析，选用重复精度高的传感器
即可，不必选用绝对精度高的传感器；如果是定量分析，
需要获得精确的测量值，可选用精度等级能满足要求的传
感器。
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( 3 )灵敏度
当灵敏度提高时，传感器输出信号的值随被测量的变 化加大，有利于信号处理。通常，在传感器的线性范围 内，希望传感器的灵敏度越高越好。但传感器灵敏度提 高，混入被测量中的干扰信号也会被放大，影响测量精 度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量 减少从外界引入的干扰信号。
拟
A2 S/H
多
A/
I/O接
路D
口
cpu
…
开
An S/H
关
（b） 共享A/D的多通道结构
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2.2 传感器
传感器（Sensor / Transducer）是指能把物理化学 量转变成便于利用和输出的电信号，用于获取被测信息， 完成信号的检测和转换的器件。其性能直接影响整个仪 器的性能。
2.2.1 传感器的分类
2.7 程控同相放大电路
智能仪器模拟量输入输出通道
二、A／D转换器的技术指标
4、满刻度范围
满刻度范围是指A／D转换器所允许最大的输入电压范围。 如(0～5)V，(0～10)V，(－5～＋5)V等
满刻度值只是个名义值，实际的A／D转换器的最大输入 电压值总比满刻度值小1／2n（n为转换器的位数）。这是因 为0值也是2n个转换器状态中的一个。
例如12位的A／D转换器，其满刻度值为10V，而实际允
2.1.1 A／D转换器概述
二、A／D转换器的技术指标
2、转换精度
转换精度反映了一个实际A/D转换器与一个理想A/D转换器 在量化值上的差值，用绝对误差或相对误差来表示。由于理想 A/D转换器也存在着量化误差，因此， 实际A/D转换器转换精 度所对应的误差指标不包括量化误差在内。
转换精度指标通常由以下分项误差有组成： ① 偏移误差 ② 满刻度误差 ③ 非线性误差 ④ 微分非线性误差
分辨率是衡量A/D转换器分辨输入模拟量最小变化程度的 技术指标。A/D转换器的分辨率取决于A/D转换器的位数，所 以习惯上以输出二进制数或BCD 码数的位数来表示。
量化误差是由于A/D 转换器有限字长数字量对输入模拟量 进行离散取样（量化）引起的误差，其大小在理论上也为一个 单位（1LSB
量化误差和分辨率是统一的，即提高分辨率可以减小量化误差。
4095 许的最大输入电压值为 4096 ×10＝9.9976V。
三、A／D转换器的分类
① 逐次比较式A／D转换器：转换时间一般在μs级，转换精 度一般在0.1％上下，适用于一般场合。
② 积分式A／D转换器：其核心部件是积分器，因此转换时 间一般在ms级或更长，但抗干扰性能强，转换精度可达0.01％
③ 并行比较式又称闪烁式：采用并行比较，其转换时间可 达ns级，但抗干扰性能较差，由于工艺限制，其分辨率一般不高 于8位。可用于数字示波器等要求转换速度较快的仪器中。
4、满刻度范围
满刻度范围是指A／D转换器所允许最大的输入电压范围。 如(0～5)V，(0～10)V，(－5～＋5)V等
满刻度值只是个名义值，实际的A／D转换器的最大输入 电压值总比满刻度值小1／2n（n为转换器的位数）。这是因 为0值也是2n个转换器状态中的一个。
例如12位的A／D转换器，其满刻度值为10V，而实际允
2.1.1 A／D转换器概述
二、A／D转换器的技术指标
2、转换精度
转换精度反映了一个实际A/D转换器与一个理想A/D转换器 在量化值上的差值，用绝对误差或相对误差来表示。由于理想 A/D转换器也存在着量化误差，因此， 实际A/D转换器转换精 度所对应的误差指标不包括量化误差在内。
转换精度指标通常由以下分项误差有组成： ① 偏移误差 ② 满刻度误差 ③ 非线性误差 ④ 微分非线性误差
分辨率是衡量A/D转换器分辨输入模拟量最小变化程度的 技术指标。A/D转换器的分辨率取决于A/D转换器的位数，所 以习惯上以输出二进制数或BCD 码数的位数来表示。
量化误差是由于A/D 转换器有限字长数字量对输入模拟量 进行离散取样（量化）引起的误差，其大小在理论上也为一个 单位（1LSB
量化误差和分辨率是统一的，即提高分辨率可以减小量化误差。
4095 许的最大输入电压值为 4096 ×10＝9.9976V。
三、A／D转换器的分类
① 逐次比较式A／D转换器：转换时间一般在μs级，转换精 度一般在0.1％上下，适用于一般场合。
② 积分式A／D转换器：其核心部件是积分器，因此转换时 间一般在ms级或更长，但抗干扰性能强，转换精度可达0.01％
③ 并行比较式又称闪烁式：采用并行比较，其转换时间可 达ns级，但抗干扰性能较差，由于工艺限制，其分辨率一般不高 于8位。可用于数字示波器等要求转换速度较快的仪器中。
4.输入输出通道接口(模拟输出通道)
DAC0832 DAC0832
DAC1208 DAC1208
12位D/A转换； 双缓冲； 稳定时间：1us； 参考电压-10~10V； 单工作电源5~15V；
低功耗：20mW；
（MSB） ）
DI 11 DI 10 DI 9 DI 8 DI 7 DI 6 DI 5 DI 4
D
Q
D
Q
VREF IOUT2 12位 位 D/A 转 换 器
DI 0 （LSB） ） ILE LE1 LE2 RFB AGND CS WR1 XFER WR2
DAC0832 DAC0832
当LE1=1时，Q=D 时 当LE1=0时，锁存数据 时
DGND VCC
主要组成部分： 主要组成部分： 8位输入寄存器 DAC寄存器 8位DAC寄存器 采用T型电阻网络的8 D/A转换器 采用T型电阻网络的8位D/A转换器 以及输入控制电路
D/A 转 换 器 技 术 指 标
DAC0832 DAC0832
8位D/A转换； 采用CMOS工艺，可与常用微处理器直接连接； 与TTL电平兼容；
具有较低的功耗和输出漏电流误差；
（MSB） ）
DI 7
D Q 8位 位 输入 寄存器
Q 8位 位 DAC 寄存器
D
VREF 8位 位 DAC 转换器
IOUT2 IOUT1
第三章 输入输出通道接口
（模拟量输出通道设计） 模拟量输出通道设计）
主讲人：李东升
主要内容
概述 概述 D/A转换原理 D/A转换原理 D/A D/A转换器件 D/A转换器件 D/A 模拟量输出通道设计 模拟量输出通道设计
参考电源
数模转换
放大器
模 拟 输 出 接 口
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由上式可知，通过调节电阻RG，可以很 方便地改变仪用放大器的闭环增益。当采 用集成仪用放大器时，RG一般为外接电阻。
在实际的设计过程中，可根据模 拟信号调理通道的设计要求，并结合
仪用放大器的以下主要性能指标确定 具体的放大电路。
1. 非线性度 它是指放大器实际输出输入关系曲线与
理想直线的偏差。
当增益为1时，如果一个12位A/D转换器
适的分辨力，常采用可变增益放大器。
在智能仪器中，可变增益放大器的增
益由仪器内置计算机的程序控制。这种由
程序控制增益的放大器，称为程控放大器
图3.10 程控放大器原理框图
由多路模拟开关和通用集成运算放大器构成
1、单运放式
电子开关：
“0”－导通 “1”－断开
2、多运放并联式
通过控制开关将不同增益的放大单元接到输出
系统的可靠性。
由于隔离放大器采用了浮离式设计，消除了 输入、输出端之间的耦合，因此具有以下特点： 能保护系统元件不受高共模电压的损害，防止 高压对低压信号系统的损坏。 泄漏电流低，对于测量放大器的输入端无须提 供偏流返回通路。 共模抑制比高，能对直流和低频信号（电压或 电流）进行准确、安全的测量。
应的执行电路统称为信号调理电路。
传感 器
前置放 大
低通
陷波
高通
至采集 电路
图3.4 典型调理电路的组成框图
一、传感器的选用
传感器是信号输人通道的第一道环节，也
是决定整个测试系统性能的关键环节之一。
要正确选用传感器，首先要明确所设计的
测试系统需要什么样的传感器——系统对传感
器的技术要求；其次是要了解现有传感器厂家
路做成一体。例如，将应变片、应变电桥、
线性化处理、电桥放大等做成一体，构成
集成压力传感器。
集成温度传感器
采用集成传感器可以减轻输人通道的 信号调理任务，简化通道结构。
CRS05-角速率传感器(陀螺)
空气温湿度集成传感器
4. 光纤传感器： 这种传感器其信号拾取、变换、传输 都是通过光导纤维实现的，避免了电路系
CMRR也是放大器增益的函数，它随增益的 增加而增大，这是因为测量放大器具有一个不 放大共模的前端结构，这个前端结构对差动信 号有增益，对共模信号没有增益。但CMRR的计 算却是折合到放大器输出端，这样就使CMRR随 增益的增加而增大。
(二) 程控增益放大器
程控放大器是智能仪器的常用部件之 一，在许多实际应用中，特别是在通用测 量仪器中，为了在整个测量范围内获取合
后，以便由计算机进行存储、处理、显示 或打印的装置。
第一节 数据采集系统的组成结构
传感器
模拟信号调理
数据采集电路
微机系统
图3.1 数据采集系统的基本组成
信号调理部分依据检测信号及受干扰情况的不同而不同。通常包括信 号的放大、量程自动转换、电流/电压转换、滤波、线性化、隔离等
实际的数据采集系统往往需要同时 测量多种物理量或同一种物理量的多个 测量点。因此，多路模拟输入通道更具 有普遍性。
(
V IN K0
)2
假设不设前置放大器时，输入信号刚好被电路噪声 V IN 2 2 V IN V IN 0 ( ) 淹没，即 VIS VIN ，加入前置放大器候，为使输入信号VIS K0 不再被电路噪声所淹没，即 VIS VIN ，就必须使 VIN VIN
可见，为使信号 不被电路噪声所淹 没，在电路前端加 入的电路必须是放 大器，即K0>1
有0.025%的非线性偏差，当增益为500时，
非线性偏差可达0.1%，相当于把12位A/D转
换器变成10位以下转换器，故一定要选择非
线性偏差小于0.025%的仪用放大器。
2. 温漂 温漂是指仪用放大器输出电压随温度
变化而变化的程度。
通常仪用放大器的输出电压会随温度 的变化而发生(1～50)V/℃变化，这与仪用
理电路的最前端？
前置放大器的放大倍数应该多大？
输入信号
输出信号
VIS VIN0
图3.7 前置放大器的作用 VIS 后级电路K 前置放大器K0 VIN
等效输入噪声
VOS OS VON ON
等效输出噪声
VIN VON / K
输入信号
输出信号
VIS VIN0
前置放大器K0
VIN
前置放大器等效输 入噪声
1%，引起放大器的漂移电压值。
仪用放大器一般用作数据采集系统的 前置放大器，对于共电源系统，该指标则
是设计系统稳压电源的主要依据之一。
6.共模抑制比 当放大器两个输入端具有等量电压变化值UI 时，在放大器输出端测量出电压变化值UCM ， 则共模抑制比CMRR可用下式计算：
CMRR 20 lg U CM UI
按照系统中数据采集电路是各路共
用一个还是每路各用一个，多路模拟输 入通道可分为集中采集式和分散采集式
两大类型。
一、集中采集式
(a)多路分时采集分时输入结构
(b)多路同步采集分时输入结构
图3.2 集中式数据采集系统的典型结构
二、分散采集式(分布式)
(a) 分布式单机数据采集结构
上位机 通信接口
数据 采集站1 … …
I C R2
V
V=R2*I
+5V
精密电阻
图：无源I/V变换电路
有源I/V变换
I R1
Vi
C
R2 R3
A=1+R4/R3
＋ －
A R4 R5
输出限流，保护运放
V
V=A*R1*I
输入阻抗高，输出阻抗低
图：有源I/V变换电路
2. 数字式传感器：
数字式传感器一般是采用频率敏感效应
器件构成，也可以是由敏感参数R、L、C构
放大器的增益有关。
3.建立时间
建立时间是指从阶跃信号驱动瞬间至仪用
放大器输出电压达到并保持在给定误差范围内
所需的时间。
4.恢复时间
恢复时间是指放大器撤除驱动信号瞬间至
放大器由饱和状态恢复到最终值所需的时间。
显然，放大器的建立时间和恢复时间直接影响
数据采集系统的采样速率。
5.电源引起的失调
电源引起的失调是指电源电压每变化
(一) 仪用放大器
图3.9 仪用放大器的基本结构
仪用放大器上下对称，即图中R1=R2， R4＝R6，R5＝R7。则放大器闭环增益为：
A f (1 2 R1 / RG ) R5 / R4
假设R4=R5，即第二级运算放大器增益 为1，则可以推出仪用放大器闭环增益为：
A f (1 2 R1 / RG )
功能
– 抗干扰 – 防止漏电，确保安全 – 保护低电压测量电路 R2 R1 ud uc R1
输 入 放大器
隔离器 输 出 放大器 uo
特点
– 输入、输出之间设有直接耦合
一、原理
– 结构 输入放大器 输出放大器 隔离器 隔离电源
+ R2
Riso
uiso
Ciso
– 类型
V IN 0 V IN
1 1 2 K0
图3.8 两种调理电路的对比
V IN
2 (V IN 0 K ) 2 V IN 1
K
V
2 IN 0
(
V IN 1 K
)2
V IN
(V IN 1 K ) 2 (V IN 0 K ) 2 K
2 2 V IN 0 V IN 1
浮置电源
电磁（变压器）耦合 光电耦合
ui
输入 放大器 光电耦合器
输出 放大器
uo
二、特点
浮置电源
• 光电耦合 • 电磁（变压器）耦合
ui
输入调制 放大器
变压器耦合
输出调制 放大器
uo
• 小信号情况下线性良好，信 • 线性好 号较大时，非线性明显 • 高共模抑制比 • 结构简单，使用方便 • 隔离性能好，工艺成熟 • 带宽较小 • 一定的转换速度 • 体积大，工艺复杂成本高， • 成本低廉 应用不便 • 带宽大 • 与TTL兼容
有哪些可供选择的传感器，把同类产品的指标
和价格进行对比，从中挑选合乎要求的性能价
格比最高的传感器。
(一) 对传感器的主要技术要求 1.具有将被测量转换为后续电路可用电量的功 能，转换范围与被测量实际变化范围相一致。 2.转换精度符合整个测试系统根据总精度要求 而分配给传感器的精度指标，转换速度应符合整 机要求。 3.能满足被测介质和使用环境的特殊要求，如 耐高温、耐高压、防腐、抗振、防爆、抗电磁干 扰、体积小、质量轻和不耗电或耗电少等。
成的振荡器，或模拟电压输入经 V/F转换等，
因此，数字量传感器一般都是输出频率
参量，具有测量精度高、抗干扰能力强、便
于远距离传送等优点。
传感器
频率量 输出
放大整形
光电隔离
计算机
传感器
开关量 输出
整形
光电隔离
计算机
图3.6 频率量及开关量输出传感器的使用
3. 集成传感器： 集成传感器是将传感器与信号调理电
1. 大信号输出传感器 : 为了与A/D输入要求相适应，传感器厂家开 始设计、制造一些专门与A/D相配套的大信号输
出传感器。
传感器
小电压
小信号放大
信号修正与变换
滤波 V/F
A/D
微机
小电流
大电压
传感器
传感器
大电流
光电耦合 I/V转换
微机
图3.5 大信号输出传感器的使用
I/V变换
R1
无源I/V变换
同样，微处理器处理后的数据往往又需要使 用D／A转换器及相应的接口将其变换成模拟量送 出。在这里，我们把D／A转换器及相应的接口称 为模拟量输出通道。